金刚石树脂磨具的改进

1、2001年8月总第142期第4期金刚石与曆料磨具工程Diannnd &Abrashes EngineeringAugust. 2004Serial. 142 No. 4:1006 - 852X(2004)3 0025 - 06IMPROVEMENT OF RESIN-BONDED DIAMOND ABR4SIVE PRODUCTS(I.中原工学院，郑州45000刀(2郑州大学郑州450004) (3.河南工业大学郑州450004)Wang Qingshcng1 Hua bng河南省科技攻关重大顼目(981130208).郑州市重点顶目(2002 2 - 7). Song Cheng1(

2、1. Zliongyuan hislitule (f Technology , Zhengzhou 45O(X)7 . China)(2. Zhengzhou University . Zhengzhou 45(XX>4 China)(3. Henan Industrial UnixTisity , Zhengzhou 450004, China):以金刚石、立方氮化硼为曆料制造的树脂磨具、青铜曆具、阳建磨具、电轄磨具以及新兴的柔性曆具、单层钎焊 磨具等超硬磨料的磨具具有磨削力小、磨削温度低、磨削比髙和加工精度髙、效率高等特点磨具的钢基体、铝合金、胶 木以及新兴的铝/酚醛等不同材质的基体

3、对磨具的寿命、加工效率和加工质重有看不同的影响规律：磨料、结合剂、捕助 填料的弃旧更新以及配方的改进有效地改善磨具性能促进曆具更新换代:表面械瀆曆料强度得以提高同时戚缓了 对树脂结台剂的热冲击提髙了结合力.从而显著延长了磨具寿命:磨具的精加工和动平衡检査是保证高档精密磨具质 重的重要措施。:金刚石磨料:树脂賭具:基体:结合剂:配方设计:表面镀股：磨具加工：使用性能:TG74:1Q164:AAbstract :Supcrabrasivc tools bonded with resin bionze itrified. and electroplate . as uvll as flexible

4、and single layer wldcd abrasive pioducts have the pmperties of low grinding force low grinding tenperature high grinding ratio . sqper precision cutting and high efficiency. Different matrix with steel aluinnuin alloy and bakelite as well as aluniinunrresin have diflerent effect on lhe tool lile , g

5、rinding machine effiaency and finish quality of abrasive products. Rdbmalion of abrasives、bonds and assistant Oilers and prescriptions will efficiently impiuve the properties of abrasive products. Met<ibclad on the abrasives will increase the abrasive strength , lessen the heat inpact on resin bo

6、nd and increase lhe binding force bctucen abrasives uith bond a) it can greatly prolong the piuduct life, finishing and balance check are inpoHant measures to ensure the quality of super finish product.Key wrds: dianond abrasives; resiirbonded abrasive products: matrix: bond; prescription design; me

7、td-clad: finishing; application property© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reseeed. 2001年8月总第142期第4期金刚石与曆料磨具工程Diannnd &Abrashes EngineeringAugust. 2004Serial. 142 No. 4© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights res

8、eeed. 2001年8月总第142期第4期金刚石与曆料磨具工程Diannnd &Abrashes EngineeringAugust. 2004Serial. 142 No. 41.1金刚石磨具按照结合剂分类主耍有以下几类:种类现行国标代号原部标代号树脂结合剂BS金属结合剂M(J)青铜结合剂Q电镀金属结合剂MeD陶瓷结合剂VA此外还有新型的柔性(可挠性)抛光磨具以及钎 焊单层磨料的磨具.国内正在开发.应用尚少。树脂结合剂磨具是金刚石磨具中目前用量最大的 一类约占世界上金刚石磨具总量的60 %左右。这类 磨具广泛应用于加工硬质合金工件和刀具。金刚石树脂磨具的磨削特点主要是磨削力和磨 削

9、热小、自锐性好、不易堵塞加工效率髙加工表面光 滑度高磨具易修整但酎热性差、强度低、损耗快。金 刚石哝度常用75 %左右(50 %KX) %) o青铜结合剂磨具在金刚石磨具中曾经占据统治地 位。后来逐渐让位于金刚石树脂磨具退居第二位。 目前主要用于玻璃、陶瓷、半导体等非金属硬脆材料的 加工.也用于硬质合金的粗磨、半精詹、成型磨o金刚石青铜磨具的磨削特点主喪是结合力强、耐 磨可承受大负荷工作面几何形状保持性好便用寿 命长但自锐性差、磨削效率低容易堵塞.需经常修 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.

10、All rights reseeed. 第4期王秦生等:金刚石射脂磨具的改进27整.而且比树脂磨具难以修整。青铜电解磨轮磨削大 面积硬质合金时效率和光沽度都显著提商这时是以 电解为主以机械磨削为辅。青铜磨具金刚石浓度常用100%左右（75% 150 %） o电镀金属结合剂金刚石磨具结合力更强磨料出 刃髙、磨削锋利浓度最高，髙达200 % 磨削效率高, 但工作层薄寿命短。电镀磨具容易制成特别薄、特别 小、特殊的形状适用干复杂形状特殊型面工件的磨削 加工。陶瓷结合剂金刚石磨具，性能介于树脂磨具与青 铜曆具之间比树脂磨具酎用比青铜磨具锋利用千 粗磨和半精磨时具有独特的优点。但是迄今为止无 论国内或国

11、外.在金刚石磨具中陶连磨具都是用量最 少的一类。问题在于.陶瓷结合剂烧成温度（耐火度） 高.金刚石难以承受。人们在研究开发低温陶瓷结台 剂的同时也在寻求替代办法主要途径有二:其一 是 树脂曆具改性加入铜粉等导热性及韧性填料改善其 耐热性和附用性:其二是青铜磨具改性加入脆性填 料降低其韧性提髙其自锐性。用这两种改性磨具去 占据陶瓷磨具应有的地位。这种趋势可表示为：材脂|wgjjC 1.2（1）磨削力小而稳定金刚石磨具曆削力的特点.见图1。01磨削硬质台金时的磨削力金刚石磨具曆削力与使用效果的关系见公式（1） 和公式（2）。Ra = KFn（1）Zy=（2）式中 Ra一面粗糙度K数Fn一向磨削力一

12、条件有关的指数乃一损速率,一轮磨损性能系数。金刚石树脂砂轮磨削硬质合金时的磨削力只相当 于普通砂轮的1/41/5 .这有利于机床动力减小和磨 削振动的减弱可以减少工件的形位和尺寸公差提髙 加工猜度和光洁度；同时.被加工表面残余应力小.应 力层薄，有利于防止工件崩口和裂纹。（2）磨削热小金刚石磨削力小而且它与许多被加工材料之间 的摩擦系数很小，因此磨削热小：同时金刚石导热性 好传热快导热率比碳化硅髙89倍.因此.磨削温 度低。当进刀深度为0. 02mm时.碳化硅磨具磨削硬 质合金，温度达1100-1200 °C:而用金刚石树脂磨具, 磨削温度只有400乜.当进刀深度为0.01mm时，后

13、者 只有200 可以实现无火花磨削，避免工件烧伤、退 火变软等组织和性能的改变。（3）磨削比高金刚石磨具磨削比很髙比普通詹具高12个数 量级磨削硬质合金时.G值一般可达500以上，好的 树脂砂轮G>2500,青铜砂轮G>5000o磨耗很少.寿 命很长，有“半永久性”磨具之称常可连续便用数月甚 至数年。减少了砂轮修整和更换次数节约了工时提 髙了效率。金刚石砂轮是数控磨床和自动加工线上必 不可少的现代化先进加工工具。（4）特殊便用要求金刚石磨具要求在高精度磨床上使用并且要合 理选择一套专用的磨削參数，才能显示出其优越的技 术性能和良好的经济效益。1.3立方氮化硼曆具的种类与金刚石磨具相

14、类似也 包括猫脂磨具、青铜磨具、电镀磨具、陶梵磨具等几大 类。不同之处在于.这四类磨具中树脂磨具不占绝对 优势而陶瓷磨具也不像在金刚石磨具中那么少四类 磨具各占一定比例.相差不很悬殊。CBN陶瓷磨具在 磨削曲轴、凸轮轴和机床导轨等工件上的成功应用正 在引起广泛关注国内也在努力开发研制并取得明显 进展.开始部分替代进口。立方氮化硼加工对象主要 是黑色金属及其合金尤其是取代普通刚玉磨具加工 高硬度难加工合金钢进展迅速。所谓A T、C -D进展，即立方氮化硼（BniA）n .立 方氮化硼最初的商品名）取代刚玉（Alumina）.金刚石 （Diannnd）取代碳化硅（Carborundum）.已经公认

15、为世界 上磨料曆具行业发展的大方向和总趋势0树脂磨具的基体小规格磨具常用胶木粉热压成 型.大规格常用铝台金经车、磨加工而成。近些年的进 展主要是出现了铝/酚醛基体即用铝粉和酚醛树脂粉 混合热压成型。这类基体现在已经既可以制成小尺寸 基体.也可以制成大尺寸基体。例如西德.用60 %铝 粉加40 %树脂酚粉末粒度细到几个微末已经成功 地用干生产O50mm.甚至0>OOnnn平形砂轮。这种基 体强度能够满足要求完全可以替代铝合金基体。组合式青铜砂轮的甚体常用钢丼体.大规格青铜 砂轮也有的便用铝合金基体代替钢基体。大规格陶逢砂轮也与青铜砂轮类似使用铝基 体或钢基体制成组合式砂轮.而很少像普通砂轮

16、那 样做成整体式陶瓷磨具。这是制造工艺上的一个 改进。2.2不同类型的基体材质机械性能不同对磨削效果 会产生明显的影响。下面是根据对树脂磨具的一些试 验结果得出的影响规律。（1）基体对磨削比的影响如图2所示砂轮磨削比（G值）随着基体的弹性 模量E的増大而降低.换句话说.磨削比随着砂轮刚 性増大而迅速下降。50-20-I I II III»020406080杨氏弹性模数x】3（魚位：磅/米2） 图2基体弹性模数与瘩削比的关乘（2）基体对加工表面粗糙度的影响一般的规律是弹性模量低而磨削比高的砂轮加 工表面光洁度也髙。光洁度由高到低（Ra值由低到 髙）的顺序是:酚醛树脂 十呂/酚醛-fa

17、F钢。（3）基体对磨削效率的影响在一定范围内砂轮的磨削效率随着基体的柔韧 性増大（E值下降）而提髙。但是当基体可挠曲性过 髙（£值很小）时詹削比G值很髙砂轮曆耗很少而 效率反而降低。其一般规律示意如图3。从表I可 见酚醛树脂比铝/酚醛基体磨削比高.但效率低。03 E与町关票综上所述基体对磨具的使用寿命功口工效率和加 工质量均有明显影响。而这一问题常常被忽视应当 引起注意耍台理选择适当的基体而不能只在磨具的 工作层配方和工艺上做文章。1洙度（彌基体类型康削比（）磨削效率（）100酚醛树脂100100铝/酚醛8610850酚醛树脂3097铝/酚醛161323. 1曆具工作层的原材料包括三

18、类：磨料、树脂结合 剂、辅助材料（填充剂、润滑剂、湿润剂）。（1）磨料的选择国内树脂砂轮普遍便用的RVD磨料，大部分为 针片状表面光滑，使用效果并不好容易过早脱落。 适用的詹料应当是表面粗糙的等积形脆性磨料例 如De Beers公司的PDA321 （原牌号CDA）多角块状磨 料国内的CSD团粒结构磨料这些磨料不仅磨削锋 利而且效率髙.光洁度高.不易过早脱落.使用寿命 延长。用作树脂砂轮的CBN，釆用微晶CBN品种也能 收到与CDA和CSD磨料相类似的良好的使用效果。 但是微晶CBN国内现在还不能供应尚需进口。表面镀覆磨料的选用，将在本文第4部分谈及。（2）树脂的选择用作树脂砂轮的结合剂.主要有

19、酚醛树脂和聚 酰亚按两类。共同的缺点是附热性差不附用。相 比之下聚酰亚胺好一些，因此.常常用于制造进行 深磨、成型磨、强力磨的磨具。而在一般的大面积平 面磨削场合使用酚醛树脂砂轮可以获得较髙的效 率。对现有树脂的改性以及寻求附热性更好、强度 更髙、更附用的新型树脂一直是人们追求的目标和 正在努力进行的工作。（3）辅助材料的选择超硬磨料树脂磨具使用的辅助材料包括填充 剂、润滑剂、湿润剂等几类多达20余种。国内常用 填充剂为Cu、6O3、ZnO、氐Oj ;国外一些先进磨具 配方中铜用得少.其至不用。ALO< xSiC国外便用 比国内多见，既是填料又是辅助磨料。而SiQ等其 它填料现在已很少使

20、用。但国内有的厂仍在大量 便用效果不好.应当放弃。原材料也有个弃旧更新 的过程。固体润滑剂作为减摩材料，可以降低詹削力和 磨削热对于不耐热的树脂砂轮尤其具有重要意义。 例如.石墨不仅有润滑作用.而且导热性好可提髙 砂轮附热性；但是石墨是鳞片状结构很软用量必 须严格控制，用量大时会显著降低砂轮的强度和硬 度致使砂轮磨耗加剧。国内一些厂家的配方目前 就存在这种问题。炭黑是极细的多孔性球形颗粒， 用它替代石墨砂轮硬度可提高23小级强度也 有所提髙从而可以使磨耗量降低60%。二硫化钳 （WSJ是一种很好的润滑减摩材料，大多用于髙强 度的聚酰亚胺树脂砂轮。酚醛树脂砂轮可供选用的湿润剂有甲酚、糠醛 或酚醛

21、树脂液等。糠醛气味较浓但在一些工厂里 宁可使用它也不使用甲酚原因是后者有致癌的嫌 疑。对于聚酰亚胺结合剂，宜配用三乙醇胺作为湿 润剂它能起到类似偶联剂的作用，对磨料和树脂结 合剂两方面都有较好的浸润性。也可使用液体石蜡 为湿润剂。3.2（1）原材料品种的选择曆料、结合剂和填料都要弃旧更新与时俱进， 选用性能优良的新品种不能几十年一贯制.前面已 经讨论过这里不再車复。（2）磨具的三要素应当全面考虑磨具三要素是：磨料、结合剂、气孔率。合适的气孔率是保证磨削性能的車要因素。而 这一因素往往被一些厂家忽视导致不良后果粗 磨、半精磨砂轮气孔偏大寿命很低.而精磨、抛光砂 轮气孔偏小，造成严重堵塞和烧伤。这

22、类现象，只要 合理调整配方三要素包括气孔率.就可以防止发 生。（3）原料配比的设计工作层原料配比应根据磨具的具体使用要求设 计而不能照搬照抄。例如国内Cu粉用量一般 15 %-20.而重量比常常超过30 % .我们如果使用表面镀铜磨料就不能再用这么多铜粉配方就得 改变，否则.砂轮就变钝不被用户接受。西德同类 砂轮,铜粉用量很少甚至基本不用Cu粉作填料.而 使用效果非常好.就是辻个道理。3.3（1）体积表示法以每lOOcn；为基准的配方表.举例列入表2。2浓度粒度号R、D B Ch ChOj ZhO甲馴孔率成型密度 75% 140/170 18.75/66 48/60 15/134 9/46 6

23、/3453.25 % 3.45 g/ai?这是沿用了几十年的配方表示方法表中. RVD18. 75/66 表示在100cm'工作层中体积占 75cm3 ,重量为66克。（2）重量表示法重量表示法是以重量百分比表示的配方编制方 法。重量表示法是在体积表示法基础上演变而来的. 在工业生产中使用起来更加方便。这是许多工厂现在 使用的方法。仍举表2同样的配方其重量表示法如 表3所示。材料名称RVD B 6 60)ZnO甲酚 成型密度重童 %19. I 17.4 3&8 13.3 9 9 1 453.45 g/cm1（3）实用表示法实用表示法是在方法（1）和（2）的基础上进一步改 进而成

24、的更加方便实用的配方表示法。笔者推荐使用 这种方法。该方法是先计算出树脂和填料所占重量, 列出结合剂（含填料）重量百分表（如表4），按此表比 例配料并混合好。使用时按照磨具成型料配方表（见 表5） 根据曆具工作层体积计算出成型料（金刚石和 结合剂J）用量然后配混。4材料名称BCuQOjZnO密度（g/cm'）重莹 %224917123.50© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第4期王秦生等:金刚石射脂磨具的改进29浓度 粒度号RVD(g)结台剂

25、®甲酚赠代孔率(災)成型密度(g/cnf)75% 140/170 0.662.740.053.253.45无论金刚石或CBN.其镀覆金属品种单颗粒抗 压强度都有所提髙如图4(b)所示同时.磨耗比下 降见图4(a).即砂轮寿命延长可延长50 % 100 % o© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第4期王秦生等:金刚石射脂磨具的改进#© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publis

26、hing House. All rights reserved, 第4期王秦生等:金刚石射脂磨具的改进#国际上著名公司的表面镀覆金属层的品种经过 汇总列入表5此外，近来国内还出现了金刚石或 CBN表面镀陶瓷的品种.但尚未正式形成品牌。出产者产品牌号镁层材料檢用方法适用结合剂CIWONNiCDA55NNi湿法帳CDA5OCOiifi法植CAD- L磁性合金CDA. M悴圣合金真空彊NRBT55NNiDe beers DXDAN1CNiift法帳系统 DXDA DMCNi湿法镀SDA- TliNi真空僕SDA85 - Tli+Ni真空帳SDAKX) Tli+hfi真空俶ABN36ONi湿法镀ABN

27、660Ni湿法備ABN6I5li脂脂脂wWW脂属属属脂脂W金金金材材RVG- W30NiWKRVG- W56Ni树脂RVG- W8S0Ni材脂RVG- DOi材脂CSGHNi湿法镀轲脂Mctu - n金属CENKOS60Tli真空檢金属公司N«S73OTli真空寮金属NftS%OTli真空鶯金属fJSlhli真空檢金属MBSChG真空檢金属CBN IINi材脂CBN55ONi湿法備树脂CHN510liEM少忒Q属ACUMQi或Ni或合金树脂ACINCb或Ni或2Cb台金离蛙或金視ACBMd或Ni或合金金属AC©Cb或Ni或2Cb台金金属桶苏联ACXX1d或Ni或合金显法供金

28、属超硬材ACUMXCbSn- li等多元台金真空镀神脂料硏究QiSn- G等多元合金真空供陶蛙或金属所AOJMXd SnU需多元合金真空檢金視EDM金属树脂KOMACuAgli台金真空檢陶光或金属Kr陶梵真空備MM金属材脂04不同增重重的磨料性能正是住尼柯都尔(Nicodur)发现了表面镀覆金属 可显蓍提髙砂轮寿命之后.金刚石树脂砂轮在世界 上才得以广泛普及。这也是整个金刚石制品工业形 成规模化大生产的开端后来发展到青铜磨具、陶 瓷磨具以及金刚石锯片和钻头等金刚石制品的大规 模工业化生产。4.3(1) 镀层减缓对树脂结合剂的热脉冲金属镀层的导热率比金刚石小例如Cu 导热率 为4 W -K&qu

29、ot; * -cm*1 ,而金刚石的导热率一般为926 W-K ' -cm * e因此每个金刚石磨粒在接触工件 时磨削产生的瞬时髙温，在脱离磨削区后的时间 内经过镀层然后比较缓慢地传给树脂而不是由金 刚石直接很快传给树脂从而保护紧接磨料部位的 树脂不被高温烧毀而失去对磨料的把持力。这就是 磨具寿命得以延长的真正的主要原因所在。它比下 面将要提到的其它几个作用都重要得多。(2) 镀层提高磨料与结合剂的结合强度金属镀层内部紧紧包裹着金刚石而外部与树© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All

30、 rights reserved, 31金刚石与磨料曆具工程总第142期脂结合剂能良好粘结（发生物理吸附甚至化学吸 附），凸凹不平的粗糙镀层表面有利于镀层与结台剂 之间的机械啮合。（3）镀层提髙磨料颗粒抗破碎强度镀金属后磨料颗粒的缺陷、裂隙得以弥补起 到补强作用；脆性磨料外表包覆一层韧性金属，当然 也有利于提高颗粒抗破碎强度。（4）镀层对磨粒起隔离保护作用包裹着金刚石的镀层起了隔绝外界氧及其它有 害介质的作用，同时在磨削高温下，金属层对金刚 石晶体结构的石墨化能起抑止作用。例如镰镀层, 就有如图5所示的侧面支撑作用保护金刚石的四 面体结构不发生石墨化。g- *子图5镀层对金刚石的侧面保护作用5金刚石或CBN磨具均属于精密磨具.主要应用 干髙精度加工.在数控机床和柔性加工中心使用。 因此对磨具有必耍进行精加工以充分保证磨具的 尺寸精度和形位公差。否则难以发挥出其应有的优 越性达不到应有的高技术经济指标。欲生产高档精密磨具原料是前提配方是基 础.工艺（热压成型和加工）是关犍，检査是保证。磨 具的质量检査包括外观检査.尺寸精度和形位公 差.